DE102005046753A1 - Microscopy and microscope - Google Patents

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Ralf Dipl.-Phys. Wolleschensky
Michael Dr. Kempe
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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Carl Zeiss Jena GmbH
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Abstract

Es wird bereitgestellt ein Mikroskopierverfahren zum Erzeugen eines Bildes eines in einer vorbestimmten Tiefe einer zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes, mit mehreren Beleuchtungsschriften, in den jeweils ein Teil des Bildfeldes mit einem fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet wird, das aufgrund einer Wechselwirkung mit der Probe die Erzeugung von Probenstrahlung bewirkt, Detektionsschritten, in denen die erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und einem Auswerteschritt, in dem auf Basis der detektierten Probenstrahlung das Bild erzeugt wird, wobei während jeden Beleuchtungsschritts ein erster und ein zweiter Detektionsschritt durchgeführt werden, wobei im ersten Detektionsschritt im Fokus sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt ein geringerer Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung als im ersten Detektionsschritt sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert wird und wobei im Auswerteschritt die im zweiten Detektionsschritt detektierte Probenstrahlung genutzt wird, um bei der im ersten Detektionsschritt detektierten Probenstrahlung den außerfokalen Anteil zu verringern.A microscopy method is provided for generating an image of an image field lying in a predetermined depth of a sample to be examined, with a plurality of illuminating fonts, in each of which a part of the image field is illuminated with a focused illuminating beam which, due to an interaction with the sample, generates sample radiation causes detection steps in which the generated sample radiation is detected, and an evaluation step in which the image is generated on the basis of the detected sample radiation, a first and a second detection step being carried out during each illumination step, with the first detection step being in focus and outside of it Focus generated sample radiation and in the second detection step a smaller portion of the sample radiation generated in the focus than in the first detection step and outside the focus generated sample radiation is detected, and in the evaluation step d he sample radiation detected in the second detection step is used to reduce the non-focal portion of the sample radiation detected in the first detection step.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopierverfahren zum Erzeugen eines Bildes eines in einer vorbestimmten Tiefe einer zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes, mit mehreren Beleuchtungsschritten, in denen jeweils ein Teil des Bildfeldes mit einem fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet wird, das aufgrund einer Wechselwirkung mit der Probe die Erzeugung von Probenstrahlung bewirkt, Detektionsschritten, in denen die erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und einem Auswerteschritt, in dem auf Basis der detektierten Probenstrahlung das Bild erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Mikroskop zum Erzeugen eines Bildes eines in einer vorbestimmten Tiefe einer zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes, mit einem Beleuchtungsmodul, das in mehreren Beleuchtungsschritten das Bildfeld beleuchtet, wobei in jedem Beleuchtungsschritt jeweils ein Teil des Bildfeldes mit einem fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet wird, das aufgrund einer Wechselwirkung mit der Probe die Erzeugung von Probenstrahlung bewirkt, einem Detektionsmodul, das erzeugte Probenstrahlung detektiert, und einem Auswertemodul, das auf der Basis der detektierten Probenstrahlung das Bild erzeugt.The The invention relates to a microscopy method for producing a Image of one at a predetermined depth of one to be examined Sample lying field of view, with several lighting steps, in each of which a part of the image field with a focused Illumination beam illuminated due to an interaction with the sample the generation of sample radiation causes detection steps, in which the generated sample radiation is detected, and a Evaluation step, in which on the basis of the detected sample radiation the Image is generated. Furthermore, the invention relates to a microscope for Generating an image of one at a predetermined depth field, with a lighting module, the illuminated in several lighting steps, the image field, wherein in each illumination step in each case a part of the image field with a focused illumination beam is illuminated due to an interaction with the sample the generation of sample radiation causes a detection module that detects generated sample radiation, and an evaluation module based on the detected sample radiation the picture is generated.

Um die gewünschte konfokale Tiefendiskriminierung zu erreichen, damit das Bild des in einer vorbestimmten Tiefe der zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes erzeugt werden kann, wird bei der Laser-Scanning-Mikroskopie eine Blende eingesetzt, die unerwünschtes Probenlicht abschattet.Around the desired to achieve confocal deep discrimination, so that the image of the lying in a predetermined depth of the sample to be examined Image field can be generated by laser scanning microscopy a diaphragm is used, which shadows unwanted sample light.

Es ist ferner bekannt, daß zur Erzielung von konfokaler Tiefendiskriminierung im Weitfeld bzw. bei partieller Beleuchtung des Bildfeldes (z. B. einer Linienbeleuchtung) eine Strukturierung bzw. Intensitätsmodulation) der Beleuchtung eingesetzt werden kann. Durch eine Phasenverschiebung der strukturierten Beleuchtung kann dann ein tiefendiskriminierter optischer Schnitt berechnet und so das gewünschte Bild des Objekts erzeugt werden. Wie beispielsweise in M.A.A. Neil et al. „Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope" Optics Letters 22(24) 1997, 1905–1907 beschrieben ist, kann dies mit drei Phasenbildern bei 0°, 120° und 240° erreicht werden.It is also known that the Achieving Confocal Deep Discrimination in the Far Field with partial illumination of the image field (eg a line illumination) structuring or intensity modulation) of the illumination can be used. By a phase shift of the structured Lighting can then be a deeply discriminated optical cut calculated and so the desired Image of the object to be generated. As in M.A.A. Neil et al. "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope "Optics Letters 22 (24) 1997, 1905-1907 This can be achieved with three phase images at 0 °, 120 ° and 240 ° become.

Zur Strukturierung der Beleuchtung werden entweder Gitter im Beleuchtungsstrahlengang, die Interferenz von kohärenten Teilstrahlen oder der Einsatz von diffraktiven optischen Elementen vorgeschlagen. Nachteilig ist die dadurch bedingte Inflexibilität und der erhöhte Aufwand, da bei einem Wechsel des Objektivs des Lasermikroskops im allgemeinen auch ein Wechsel der Strukturierung erforderlich ist. Dazu muß dann in der Regel ein anderes Gitter vorgesehen werden, die Interferenz der kohärenten Teilstrahlen geändert werden oder ein anderes diffraktives optisches Element eingesetzt werden.to Structuring of the illumination will be either grating in the illumination beam path, the interference of coherent Partial beams or the use of diffractive optical elements proposed. A disadvantage is the resulting inflexibility and the increased Effort, as with a change of the lens of the laser microscope In general, a change of structuring is required. This must then In general, another grating will be provided, the interference the coherent partial beams changed be used or another diffractive optical element become.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Mikroskopierverfahren und ein Mikroskop der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Erzeugung tiefendiskriminierter optischer Schnitte einfach möglich ist, ohne physikalische Blenden zum Abschatten außerfokaler Probenstrahlung vorsehen zu müssen.outgoing It is the object of the invention to provide a microscopy method and a microscope of the type mentioned in such a way that the generation deeply discriminated optical sections is easily possible, without physical diaphragms for shadowing of extra-focal sample radiation to have to provide.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Mikroskopierverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß während jedem Beleuchtungsschritt ein erster und ein zweiter Detektionsschritt durchgeführt werden, wobei im ersten Detektionsschritt im Fokus sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt ein geringerer Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung als im ersten Detektionsschritt sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und daß im Auswerteschritt die im zweiten Detektionsschritt detektierte Probenstrahlung genutzt wird, um bei der im ersten Detektionsschritt detektierten Probenstrahlung den außerfokalen Anteil zu verringern.According to the invention Task in a microscopy method of the type mentioned solved by that during each Illumination step, a first and a second detection step carried out being in focus as well as outside in the first detection step the focus generated sample radiation and in the second detection step a smaller proportion of the sample radiation generated in the focus than generated in the first detection step and out of focus Sample radiation is detected, and that in the evaluation step in the second Detection step detected sample radiation is used to the sample radiation detected in the first detection step the of-focus Reduce the proportion.

Es wird somit die aufgrund der Fokussierung vorliegende räumliche Begrenztheit der Beleuchtung innerhalb des Bildfeldes dazu genutzt, im ersten und zweiten Detektionsschritt bei im wesentlichen gleicher Probenstrahlung, die außerhalb des Fokus erzeugt wird, unterschiedliche Anteile der im Fokus erzeugten Probenstrahlung zu detektieren. Dies wird dann im Auswerteschritt vorteilhaft dazu genutzt, den außerfokalen Anteil der im ersten Detektionsschritt detektierten Probenstrahlung zu reduzieren.It is thus the present due to the focus spatial Limited lighting within the image field used to in the first and second detection steps at substantially the same Sample radiation outside the focus is generated, different proportions of the focus generated To detect sample radiation. This will then be in the evaluation step used to advantage, the non-focal portion of the first Detection step to reduce detected sample radiation.

Somit kann mit geringem Aufwand ein tiefendiskriminierter Schnitt erzeugt werden, ohne eine physikalische Blende zum Abschatten der außerfokalen Probenstrahlung vorsehen zu müssen.Consequently can produce a deeply discriminated cut with little effort without a physical shutter to mask the out-of-focus To provide sample radiation.

Da ein Vorsehen einer physikalischen Blende nicht notwendig ist und da aufgrund der Fokussierung eine räumliche Begrenztheit der Beleuchtung gegeben ist, gewinnt man detektionsseitig einen räumlichen Freiheitsgrad. Wenn das Beleuchtungsstrahlenbündel z. B. punktförmig fokussiert wird, kann man die detektierte Probenstrahlung spektral aufspalten und mittels z. B. einem Liniendetektor spektral aufgelöst detektieren. Der zusätzliche Freiheitsgrad (bzw. die zusätzliche räumliche Koordinate) kann somit dazu genutzt werden, in den Detektionsschritten spektral zu detektieren und gleichzeitig die gewünschte tiefendiskriminierte Erzeugung des Bildes des Bildfeldes zu realisieren.There a provision of a physical aperture is not necessary and because of the focus given a spatial limitation of the lighting is, one gains on the detection side a spatial degree of freedom. If the illumination beam z. B. punctiform is focused, you can spectrally split the detected sample radiation and by means of z. B. detect a line detector spectrally resolved. The additional Degree of freedom (or the additional spatial Coordinate) can thus be used in the detection steps spectrally detect and at the same time the desired deeply discriminated Generating the image of the image field to realize.

Da keine die außerfokale Probenstrahlung abschattende Blende notwendig ist, kann eine größere Detektionseffizienz erreicht werden, da sehr viel mehr Probenlicht (im Vergleich zu einem Verfahren mit Pinhole-Blende) detektiert und für die Auswertung genutzt werden kann.There none the extra-focs Sample radiation shielding aperture is necessary, a greater detection efficiency be achieved because much more sample light (compared to a method with pinhole aperture) and for the evaluation can be used.

Insbesondere kann im zweiten Detektionsschritt keinerlei der im Fokus erzeugten Probenstrahlung und somit nur außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert werden. Der Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung, der im zweiten Detektionsschritt detektiert wird, beträgt somit null.Especially can not generate any of the focus in the second detection step Sample radiation and thus generated only out of focus sample radiation be detected. The proportion of the sample radiation generated in the focus, which is detected in the second detection step is thus zero.

Die beiden Detektionsschritte können während zumindest einem Beleuchtungsschritt gleichzeitig durchgeführt werden. Damit läßt sich die Meßzeit möglichst gering halten.The both detection steps can while at least one illumination step are performed simultaneously. This can be the measuring time as possible keep low.

Alternativ ist es auch möglich, daß beide Detektionsschritte während zumindest einem Beleuchtungsschritt zeitlich nacheinander durchgeführt werden. In diesem Fall kann man für beide Beleuchtungsschritte einen einzeigen Detektor einsetzten.alternative it is also possible that both Detection steps during at least one lighting step are performed sequentially in time. In this case one can for both lighting steps employed a single detector.

Insbesondere wird im ersten Detektionsschritt die aus einem ersten Abschnitt der Probenoberfläche und im zweiten Detektionsschritt die aus einem zweiten Abschnitt der Probenfläche austretende Probenstrahlung detektiert, wobei beide Abschnitte aneinander grenzen oder der zweite Abschnitt den ersten Abschnitt nur teilweise überdeckt. Die beiden Abschnitte können unmittelbar aneinandergrenzen (sich berühren) oder aber auch voneinander beabstandet sein. Ferner kann man im ersten Detektionsschritt der Fokusbereich im Bildfeld auf einen Detektor abbilden, während im zweiten Detektionsschritt eine benachbarte Fläche im Bildfeld detektiert wird.Especially in the first detection step, the first section the sample surface and in the second detection step that of a second section the sample surface emerging sample radiation detected, with both sections together borders or the second section covers the first section only partially. The two sections can directly adjoin (touch) or also from each other be spaced. Furthermore, in the first detection step, the Focusing area in the image field on a detector, while in second detection step detects an adjacent area in the image field becomes.

Im Auswerteschritt kann das im zweiten Detektionsschritt detektierte Signal vom im ersten Detektionsschritt detektierten Signal subtrahiert werden. Natürlich kann dabei eine relative Gewichtung der beiden Signale zueinander berücksichtigt werden.in the Evaluation step, the detected in the second detection step Subtracted signal from the signal detected in the first detection step become. Naturally can be a relative weighting of the two signals to each other considered become.

Insbesondere können die Beleuchtungsschritte, die Detektionsschritte und der Auswerteschritt für mehrere Bildfelder in unterschiedlichen vorbestimmten Tiefen der Probe durchgeführt werden, um somit mehrere tiefendiskriminierte Schnittbilder der Probe erzeugen zu können.Especially can the lighting steps, the detection steps and the evaluation step for many Image fields are performed at different predetermined depths of the sample, thus generate several deeply discriminated sectional images of the sample to be able to.

Daraus können dann mit bekannten Verfahren auch dreidimensionale Probenbilder erzeugt werden.from that can then with known methods and three-dimensional sample images be generated.

Bei dem Verfahren kann das Beleuchtungsstrahlenbündel (bevorzugt beugungsbegrenzt) punkt- oder linienförmig fokussiert werden.at the method, the illumination beam (preferably diffraction-limited) punctiform or linear be focused.

Die Aufgabe wird ferner bei einem Mikroskop der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß während jedem Beleuchtungsschritt das Detektionsmodul einen ersten und einen zweiten Detektionsschritt durchführt, wobei im ersten Detektionsschritt im Fokus sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt ein geringerer Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung als im ersten Detektionsschritt sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und daß das Auswertemodul die im zweiten Detektionsschritt detektierte Probenstrahlung nutzt, um bei der im ersten Detektionschritt detektierten Probenstrahlung den außerfokalen Anteil zu verringern.The Task is further in a microscope of the type mentioned solved by that during each Lighting step, the detection module has a first and a second Performs detection step, being in focus as well as outside in the first detection step the focus generated sample radiation and in the second detection step a smaller proportion of the sample radiation generated in the focus than generated in the first detection step and out of focus Sample radiation is detected, and that the evaluation module in the second detection step uses detected sample radiation to at the sample radiation detected in the first detection step the non-focal Reduce the proportion.

Durch diese Art der Detektion kann auf eine physikalische Blende zum Abschatten der außerfokalen Probenstrahlung verzichtet werden, da die durch die räumliche Begrenztheit des im Bildfeld fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündels vorliegende örtliche Modulation der Beleuchtung mittels den beiden Detektionsschritten ausgenutzt wird, um unterschiedliche Anteile der im Fokus erzeugten Probenstrahlung zu detektieren. Insbesondere kann im zweiten Detektionsschritt nur außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert werden. Der Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung, der im zweiten Detektionsschritt detektiert wird, beträgt dann null.By This type of detection can be used to shadow a physical shutter the non-focal Sample radiation can be dispensed with, as by the spatial Limit of the focused in the field of illumination beam present local Modulation of the illumination by means of the two detection steps is exploited to different proportions of the generated in the focus To detect sample radiation. In particular, in the second detection step only outside the focus generated sample radiation can be detected. The amount the sample radiation generated in the focus, in the second detection step is detected, then is zero.

Ferner kann man in den beiden Detektionsschritten die Probenstrahlung spektral aufgelöst detektieren. Dabei wird ausgenutzt, daß keine physikalische Blende zur Abschattung des außerfokalen Anteils der Probenstrahlung notwendig ist und daß durch die räumliche Begrenztheit des fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündels detektionsseitig ein weiterer Freiheitsgrad vorliegt. So kann bei einem punktförmig fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel die Probenstrahlung spektral aufgespalten und mittels einem Liniendetektor spektral detektiert werden. Die spektrale Aufspaltung erfolgt in Richtung der Erstreckungsrichtung des Liniendetektors. Natürlich kann als Liniendetektor z. B. auch nur eine Zeile oder eine Spalte eines ortsauflösenden Flächendetektors eingesetzt werden. Wenn das Beleuchtungsstrahlenbündel linienförmig fokussiert wird, wird ein Flächendetektor eingesetzt, wobei hier die spektrale Aufspaltung bevorzugt quer zur Erstreckungsrichtung des linienförmigen Fokus erfolgt. Die spektrale Aufspaltung kann mit jedem geeigneten Optikelement (mit geeigneter Dispersion) durchgeführt werden, z. B. mittels einem Prisma oder einem Beugungsgitter. Das Detektionsmodul kann somit eine Optik zur spektralen Aufspaltung der Probenstrahlung sowie zumindest einen die spektral aufgespaltene Probenstrahlung spektral aufgelöst detektierenden Detektor aufweisen.Further you can spectral in the two detection steps, the sample radiation disbanded detect. It is exploited that no physical aperture for shading the extra-focial Proportion of the sample radiation is necessary and that by the spatial Limitedness of the focused illumination beam on the detection side another degree of freedom is present. So can be focused at a point Illumination beam spectrally split the sample radiation and by means of a line detector be detected spectrally. The spectral splitting takes place in Direction of the extension direction of the line detector. Of course you can as a line detector z. For example, only one row or one column of a spatially resolving Surface detector used become. When the illumination beam focuses in a line becomes, becomes an area detector used, in which case the spectral splitting preferably transverse to the extension direction of the linear focus. The spectral Splitting can be performed with any suitable optical element (with appropriate Dispersion) be, for. B. by means of a prism or a diffraction grating. The Detection module can thus optics for spectral splitting of Sample radiation and at least one spectrally split Sample radiation spectrally resolved have detecting detector.

Das Detektionsmodul kann zwei Detektoren umfassen, wodurch eine gleichzeitige Durchführung der beiden Detektionsschritte über beide Detektoren möglich ist. Alternativ kann das Detektionsmodul auch einen einzigen Detektor aufweisen, so daß beide Dektionsschritte zeitlich nacheinander durchgeführt werden.The Detection module can include two detectors, creating a simultaneous Carrying out the two detection steps over both detectors possible is. Alternatively, the detection module may also comprise a single detector so that both Dektionschritte be carried out temporally successively.

Im ersten Detektionsschritt kann die aus einem ersten Abschnitt der Probenoberfläche und im zweiten Detektionsschritt die aus einem zweiten Abschnitt der Probenoberfläche austretende Probenstrahlung detektiert werden, wobei die beiden Abschnitte der Probenoberfläche aneinandergrenzen (direkt oder voneinander beabstandet sein) oder der zweite Abschnitt den ersten Abschnitt nur teilweise überdeckt.in the The first detection step may consist of a first section of the sample surface and in the second detection step that of a second section the sample surface emerging sample radiation are detected, the two Sections of the sample surface adjacent (directly or spaced apart) or the second section only partially covers the first section.

Ferner kann das Detektionsmodul derart ausgebildet sein, daß der Fokusbereich im Bildfeld im ersten Detektionsschritt auf einen Detektor abgebildet wird und im zweiten Detektionsschritt eine zum Fokusbereich benachbarte Fläche des Bildfeldes auf einen Detektor des Detektionsmoduls abgebildet wird.Further the detection module can be designed such that the focus area imaged in the image field in the first detection step on a detector is and adjacent to the focus area in the second detection step area of the image field is imaged onto a detector of the detection module.

Das Auswertemodul kann das im zweiten Detektionsschritt detektierte Signal vom im ersten Detektionsschritt detektieren Signal subtrahieren, wobei eine Gewichtung der beiden Signale zueinander möglich ist. Damit wird in einfacher Art und Weise der außerfokale Anteil im detektierten Signal des ersten Detektionsschrittes reduziert.The Evaluation module can the detected in the second detection step Subtract signal from the signal detected in the first detection step, wherein a weighting of the two signals to each other is possible. This will be easier Way of the extra-focal Reduced proportion in the detected signal of the first detection step.

Das Beleuchtungsmodul kann ein Scannermodul aufweisen, das das Beleuchtungsstrahlenbündel so ablenkt, daß das gesamte Bildfeld beleuchtet wird.The Lighting module may include a scanner module, the illumination beam so distracts that entire image field is illuminated.

Ferner kann das Beleuchtungsmodul das Beleuchtungsstrahlenbündel als punkt- oder linienförmig fokussiertes Beleuchtungsstrahlenbündel auf das Bildfeld richten.Further For example, the lighting module may use the lighting beam as point or line Focus focused illumination beam on the image field.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Mikroskops; 1 a schematic view of the microscope according to the invention;

2 eine vergrößerte Darstellung des Detektionsmoduls von 1; 2 an enlarged view of the detection module of 1 ;

3 eine Querschnittsansicht der zu untersuchenden Probe; 3 a cross-sectional view of the sample to be examined;

4 eine Draufsicht auf die Detektoren von 2; 4 a plan view of the detectors of 2 ;

5 eine Abwandlung der Detektoren von 4; 5 a modification of the detectors of 4 ;

6 eine alternative Ausführungsform des Dektionsmoduls von 1, und 6 an alternative embodiment of the Dektionsmoduls of 1 , and

7 und 8 eine weitere alternative Ausführungsform des Detektionsmoduls von 1. 7 and 8th a further alternative embodiment of the detection module of 1 ,

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Mikroskop als Laser-Scanning-Mikroskop ausgebildet, das ein Lichtquellenmodul 1, ein Scanmodul 2, ein Objektiv 3, ein Aufnahmemodul 4 sowie ein Auswertemodul 5 umfaßt.At the in 1 In the embodiment shown, the microscope is designed as a laser scanning microscope, which is a light source module 1 , a scan module 2 , a lens 3 , a recording module 4 as well as an evaluation module 5 includes.

Das Lichtquellemodul 1, das einen Laser 8 und eine Strahlformoptik 9 aufweist, erzeugt einen Laserstrahl LS1, der über einen zwischen dem Lichtquellemodul 1 und dem Scanmodul 2 geschalteten Strahlteiler 6 zum Scanmodul 2 gelenkt wird, das den Strahl LS1 so über die Probe 7 ablenkt, das ein Bildfeld innerhalb der Probe vollständig beleuchtet wird. Der Laserstrahl LS1 wird dabei mittels des Objektivs 3 in die Probe 7 fokussiert, und zwar in die Tiefe des Bildfeldes, von dem ein Bild erzeugt werden soll (optischer Schnitt).The light source module 1 that has a laser 8th and a beam shaping optics 9 generates, generates a laser beam LS1, the one between the light source module 1 and the scan module 2 switched beam splitter 6 to the scan module 2 is directed, the beam LS1 so over the sample 7 deflects a field of view within the sample is completely illuminated. The laser beam LS1 is thereby by means of the lens 3 into the sample 7 focused, in the depth of the image field from which an image is to be generated (optical section).

Bei der hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl LS1 punkförmig (bevorzugt beugungsbegrenzt) fokussiert, so daß das Scanmodul 2 den Laserstrahl LS1 in zwei unabhängige Richtungen voneinander ablenkt, um somit das gesamte Bildfeld innerhalb der Probe 7 mit dem fokussierten Laserstrahl LS1 überstreichen zu können.In the embodiment described here, the laser beam LS1 is focused in a punk shape (preferably diffraction-limited), so that the scan module 2 The laser beam LS1 deflects in two independent directions from each other, thus the entire image field within the sample 7 with the focused laser beam LS1 to sweep.

Aufgrund der Wechselwirkung des Laserstrahls LS1 mit der Probe wird Probenstrahlung LS2 erzeugt, die über das Objektiv 3 auf das Scanmodul 2 trifft, das die von der Probe 7 kommende Probenstrahlung LS2 descannt, so daß die Probenstrahlung LS2 hinter dem Scanmodul 2 als ruhendes Strahlenbündel LS2 vorliegt. Der Strahlteiler 6 ist so ausgebildet, daß er die Probenstrahlung LS2 transmittiert, so daß diese auf das Detektionsmodul 4 trifft.Due to the interaction of the laser beam LS1 with the sample, sample radiation LS2 is generated, which is transmitted via the objective 3 on the scan module 2 that meets the sample 7 descending sample radiation LS2, so that the sample radiation LS2 behind the scan module 2 is present as stationary beam LS2. The beam splitter 6 is formed so that it transmits the sample radiation LS2, so that these on the detection module 4 meets.

Die erzeugte Probenstrahlung kann z. B. Fluoreszenzlicht, Lumineszenzlicht, reflektiertes, transmittiertes und/oder gestreutes Licht sein.The generated sample radiation can, for. B. fluorescent light, luminescent light, be reflected, transmitted and / or scattered light.

Wie in 2 schematisch dargestellt ist, umfaßt das Detektionsmodul 4 eine Detektionsoptik 11 sowie einen ersten und zweiten Detektor D1, D2, deren Signale dem Auswertemodul 5 zugeführt werden. Auf den Detektor D1 wird der Fokusbereich des Bildfeldes (also der Bereich, in dem der Laserstrahl LS1 fokussiert) abgebildet, während auf den Detektor D2 ein dazu benachbarter Bereich abgebildet wird.As in 2 is shown schematically comprises the detection module 4 a detection optics 11 and a first and second detector D1, D2, whose signals are the evaluation module 5 be supplied. The focus area of the image field (ie the area in which the laser beam LS1 focuses) is imaged onto the detector D1, while an area adjacent thereto is imaged onto the detector D2.

Dies wird in Verbindung mit 3 noch näher erläutert. 3 zeigt einen Querschnitt durch die zu untersuchende Probe 7, wobei die Strahltaille 12 des Beleuchtungsstrahlenbündels LS1 dargestellt ist. Zwischen den gestrichelt eingezeichneten waagrechten Linien L1 und L2 liegt der darzustellende Tiefenbereich (Bildfeld) der Probe 7. In diesem Bereich ist der Laserstrahl LS1 fokussiert. Dies erkennt man daran, daß die Strahltaille 12 in diesem Bereich den geringsten Durchmesser aufweist.This will be in conjunction with 3 explained in more detail. 3 shows a cross section through the sample to be examined 7 , where the beam waist 12 of the illumination beam LS1 is shown. Between the dashed lines horizontal lines L1 and L2 is the displayed depth range (image field) of the sample 7 , In this area, the laser beam LS1 is focused. This can be seen from the fact that the beam waist 12 has the smallest diameter in this area.

Durch die Abbildung des Fokusbereiches auf den Detektor D1 gelangt auf den Detektor die im schräg schraffierten Bereich B1 erzeugte Probenstrahlung. Man erkennt, daß neben der gewünschten konfokalen Probenstrahlung aus dem Abschnitt des Bereichs B1 zwischen den gestrichelten Linien L1 und L2 noch die außerfokale Probenstrahlung gelangt, die oberhalb und unterhalb der Linie L1 und L2 im Bereich B1 erzeugt wird.By the image of the focus area on the detector D1 arrives the detector in the oblique hatched area B1 generated sample radiation. One recognises, that beside the desired confocal Sample radiation from the section of area B1 between the dashed Lines L1 and L2 are still the extra-focal Sample radiation passes, above and below the line L1 and L2 is generated in the area B1.

Auf den Detektor D2 gelangt die in dem waagrecht schraffierten Bereich B2 erzeugte Probenstrahlung. Da mit dem Detektor D2 nur ein Bereich neben dem Fokusbereich detektiert wird, trifft auf den Detektor D2 nur die Probenstrahlung, die außerhalb des fokalen Bereiches (zwischen L1 und L2) vom Strahl LS1 innerhalb des Bereiches B2 erzeugt wird. Bei dem hier beschriebenen Beispiel sieht der Detektor D2 somit nur außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung LS2.On the detector D2 enters the horizontally hatched area B2 generated sample radiation. Because with the detector D2 only one area next to the focus area is detected, applies to the detector D2 only the sample radiation outside the focal area (between L1 and L2) of the beam LS1 within of the area B2 is generated. In the example described here sees the detector D2 thus generated only out of focus Sample radiation LS2.

In 4 ist zur Verdeutlichung die detektorseitige Beleuchtungsverteilung im Fokus dargestellt. Der fokussierte Laserstrahl LS1 wird nur auf den Detektor D1 abgebildet (Kreis F1), so daß der Detektor D2 keine konfokalen Signale aufnimmt.In 4 For clarity, the detector-side illumination distribution is shown in the focus. The focused laser beam LS1 is imaged only on the detector D1 (circle F1), so that the detector D2 does not receive any confocal signals.

Wenn man annimmt, daß die beiden Detektoren D1 und D2 ungefähr die gleiche Fläche und Empfindlichkeit haben, kann man für das konfokale Signal Sc und das nicht konfokale Signal Snc folgendes angeben: Sc = S1 – n·S2 und Snc = S1 + n·S2 – Sc = 2·n·S2wobei S1 und S2 die Signale der Detektoren D1 und D2 sind. Die Konstante n kann man empirisch z. B. aus der Minimierung des Untergrundsignals während der Messung bestimmen. Typische Werte für n betragen 1 bis 1, 3.Assuming that the two detectors D1 and D2 have approximately the same area and sensitivity, the confocal signal Sc and the non-confocal signal Snc may be given as follows: Sc = S1 - n · S2 and Snc = S1 + n * S2 - Sc = 2 * n * S2 where S1 and S2 are the signals of the detectors D1 and D2. The constant n can be empirically z. B. from the minimization of the background signal during the measurement. Typical values for n are 1 to 1, 3.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei dicken Proben die genaue Lage und die Schärfe der Trennlinie zwischen beiden Detektoren mit Bezug zum beugungsbegrenzten Fokusspot aus dem Fokalbereich nicht wesentlich ist.It has been shown that in particular with thick samples the exact position and the sharpness of the dividing line between both detectors with respect to the diffraction-limited focus spot the focal area is not essential.

Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Detektoren so anzuordnen, daß die Grenze zwischen beiden Detektoren D1 und D2 ca. 1 bis 2 Airy-Unit-Radien vom Zentrum der Spotverteilung aus dem Fokus auf dem Detektor D1 entfernt liegt. Die Airy-Unit wird objektseitig als 1 AU = 1,22 λ/NA definiert, wobei λ die Vakuumwellenlänge des Beleuchtungsstrahlenbündels LS1 und NA die numerische Apertur des Objektivs 3 ist. Auch eine Beabstandung der beiden Bereiche B1 und B2, wie dies in 3 zur vereinfachten graphischen Darstellung dargestellt ist, von beispielsweise kleiner 1AU zwischen beiden Detektoren D1 und D2 (beispielsweise durch einen Steg) stellt kein Problem dar.It is generally convenient to arrange the detectors so that the boundary between both detectors D1 and D2 is about 1 to 2 Airy Unit radii away from the center of the spot distribution on the detector D1. The Airy unit is defined on the object side as 1 AU = 1.22 λ / NA, where λ is the vacuum wavelength of the illumination beam LS1 and NA is the numerical aperture of the objective 3 is. Also, a spacing of the two areas B1 and B2, as in 3 is shown for simplified graphical representation, for example, less than 1AU between two detectors D1 and D2 (for example, by a web) is not a problem.

In 5 sind die Detektoren D1 und D2 für den Fall dargestellt, daß nicht eine punktförmige Fokussierung vorliegt, sondern eine linienförmige Fokussierung. In gleicher Weise wird der linienförmige Fokus (Ellipse F2) dann auf den Detektor D1 abgebildet, wie in 5 dargestellt ist. Natürlich ist dann das Scanmodul 2 entsprechend angepaßt, so daß unter Umständen (wenn die Linie so lang ist, daß sie das gesamte Bildfeld in Linienrichtung abdeckt) nur eine Ablenkung quer zur Erstreckungsrichtung des linienförmigen Fokus notwendig ist.In 5 the detectors D1 and D2 are shown in the case that there is no punctiform focusing, but a line-shaped focusing. In the same way, the linear focus (ellipse F2) is then imaged onto the detector D1, as in FIG 5 is shown. Of course, then the scan module 2 adapted accordingly, so that under certain circumstances (if the line is so long that it covers the entire image field in the line direction) only a deflection transverse to the extension direction of the linear focus is necessary.

Für die Steuerung des Mikroskops und die Durchführung der beschriebenen Schritte weist das Mikroskop eine Steuereinheit 10 auf.For the control of the microscope and the implementation of the described steps, the microscope has a control unit 10 on.

Natürlich ist man nicht auf eine punkt- oder linienförmige Fokussierung beschränkt. Wesentlich ist, daß die Fokussierung zumindest in einer Richtung im Bildfeld eine örtliche Begrenzung aufweist, wobei diese Begrenzung bevorzugt möglichst scharf ist. Die Steilheit der Begrenzung sollte bevorzugt zumindest einer Raumfrequenz bei der halben Grenzfrequenz des Objektivs 3 entsprechen.Of course, one is not limited to a point or line focusing. It is essential that the focusing has a local boundary in at least one direction in the image field, wherein this limit is preferably as sharp as possible. The steepness of the boundary should preferably be at least one spatial frequency at half the cutoff frequency of the objective 3 correspond.

In 6 ist eine alternative Ausbildung des Detektionsmoduls 4 gezeigt. Hier weist das Detektionsmodul 4 einen Strahlteiler 13 auf, der beispielsweise je die Hälfte des einfallenden Probenlichtes LS2 reflektiert und transmittiert und somit in zwei Detektionsarme aufspaltet. Bei dem nach rechts laufenden Detektionsarm in 6 ist sowohl der fokale Anteil LS2c als auch der außerfokale Anteil LS2nc eingezeichnet, wobei in dem nach oben laufenden Detektionsarm zur Vereinfachung nur noch der konfokale Anteil LS2c dargestellt ist. Aufgrund der örtlichen Anordnung der Detektoren D1, D2 in den Detektionsarmen trifft auf den Detektor D2 nur der außerfokale Anteil LS2nc, während auf den Detektor D1 der fokale Anteil LS2c trifft.In 6 is an alternative embodiment of the detection module 4 shown. This is where the detection module points 4 a beam splitter 13 on, for example, each reflects half of the incident sample light LS2 and transmits and thus split into two detection arms. In the right to the right detection arm in 6 both the focal component LS2c and the non-focal component LS2nc are plotted, with only the confocal component LS2c shown in the upward-pointing detection arm for the sake of simplicity. Due to the local arrangement of the detectors D1, D2 in the detection arms, only the non-focal component LS2nc strikes the detector D2, while the focal component LS2c strikes the detector D1.

In 7 und 8 ist eine Ausführungsform des Detektionsmodul 4 gezeigt, bei der nur ein einziger Detektor D1 vorgesehen ist. Zwischen der Detektionsoptik 10 und dem Detektor D1 ist eine drehbare Glasplatte 14 angeordnet, die je nach Drehstellung dafür sorgt, daß entweder der fokale Anteil LS2c oder der außerfokale Anteil LS2nc auf die aktive Fläche des Detektors 1 trifft.In 7 and 8th is an embodiment of the detection module 4 shown, in which only a single detector D1 is provided. Between the detection optics 10 and the detector D1 is a rotatable glass plate 14 arranged, which ensures, depending on the rotational position, that either the focal component LS2c or the non-focal component LS2nc on the active surface of the detector 1 meets.

Wenn das Beleuchtungsstrahlenbündel bzw. der fokussierte Laserstrahl LS1 punktförmig fokussiert wird, wie in Verbindung mit 1 beschrieben wurde, können die Liniendetektoren von 5 zur spektral aufgelösten Detektion genutzt werden. Dazu muß die detektierte Probenstrahlung nur spektral in Richtung der Erstreckungsrichtung des Liniendetektors aufgespalten werden, bevor sie auf die Liniendetektoren D1, D2 trifft.When the illumination beam or the focused laser beam LS1 is focused in a point-like manner, as in connection with 1 described, the line detectors of 5 be used for spectrally resolved detection. For this purpose, the detected sample radiation must be split only spectrally in the direction of extension of the line detector before it hits the line detectors D1, D2.

Entsprechendes gilt, wenn der Laserstrahl LS1 linienförmig fokussiert wird. Dann ist mindestens ein ortsauflösender flächiger Detektor notwendig, wobei z. B. in Spaltenrichtung ortsaufgelöst der Linienfokus und in Zeilenrichtung der in diese Richtung spektral aufgelöste Linienfokus spektral aufgelöst detektiert wird.The same applies when the laser beam LS1 is focused linear. Then is at least one spatial resolution flat Detector necessary, with z. B. in the column direction spatially resolved line focus and in the row direction of the spectral resolution in this direction line focus spectrally resolved is detected.

Claims (16)

Mikroskopierverfahren zum Erzeugen eines Bildes eines in einer vorbestimmten Tiefe einer zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes, mit mehreren Beleuchtungsschritten, in den jeweils ein Teil des Bildfeldes mit einem fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet wird, das aufgrund einer Wechselwirkung mit der Probe die Erzeugung von Probenstrahlung bewirkt, Detektionsschritten, in denen die erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und einem Auswerteschritt, in dem auf Basis der detektierten Probenstrahlung das Bild erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während jedem Beleuchtungsschritt ein erster und ein zweiter Detektionsschritt durchgeführt werden, wobei im ersten Detektionsschritt im Fokus sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt ein geringerer Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung als im ersten Detektionsschritt sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und daß im Auswerteschritt die im zweiten Detektionsschritt detektierte Probenstrahlung genutzt wird, um bei der im ersten Detektionsschritt detektierten Probenstrahlung den außerfokalen Anteil zu verringern.A microscopy method for producing an image of an image field lying at a predetermined depth of a sample to be examined, comprising a plurality of illumination steps, in each of which a part of the image field is illuminated with a focused illumination beam that causes the generation of sample radiation due to an interaction with the sample, detection steps, in which the generated sample radiation is detected, and an evaluation step in which the image is generated on the basis of the detected sample radiation, characterized in that during each illumination step, a first and a second detection step are performed, wherein in the first detection step in focus and out of focus generated sample radiation and in the second detection step, a smaller proportion of the sample radiation generated in the focus is detected as in the first detection step and outside the focus generated sample radiation, and that in the evaluation step, the i In the second detection step, detected sample radiation is used to reduce the extra-focal fraction in the sample radiation detected in the first detection step. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Detektionsschritte während zumindest einem Beleuchtungsschritt gleichzeitig durchgeführt werden.The method of claim 1, wherein the two detection steps while at least one illumination step are performed simultaneously. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Detektionsschritte während zumindest einem Beleuchtungsschritt zeitlich nacheinander durchgeführt werden.The method of claim 1, wherein the two detection steps while at least one lighting step are performed sequentially in time. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem im ersten Detektionsschritt die aus einem ersten Abschnitt der Probenoberfläche auftretende Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt die aus einem zweiten Abschnitt der Probenoberfläche austretende Probenstrahlung detektiert wird, wobei beide Abschnitte aneinandergrenzen oder der zweite Abschnitt den ersten Abschnitt nur teilweise überdeckt.Method according to one of the above claims, wherein in the first detection step, that of a first section of the sample surface occurring sample radiation and in the second detection step the off Sample radiation emerging from a second section of the sample surface is detected, with both sections adjacent to each other or the second section covers the first section only partially. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem im Auswerteschritt das im zweiten Detektionsschritt detektierte Signal vom im ersten Detektionsschritt detektierte Signal subtrahiert wird.Method according to one of the above claims, wherein in the evaluation step that detected in the second detection step Subtracted signal from the signal detected in the first detection step becomes. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Beleuchtungsschritte, die beiden Detektionsschritte und der Auswerteschritt für mehrere Bildfelder in unterschiedlichen vorbestimmten Tiefen der Probe durchgeführt werden, um mehrere tiefendiskriminierte Schnittbilder der Probe zu erzeugen.Method according to one of the above claims, wherein the lighting steps, the two detection steps and the evaluation step for several image fields in different predetermined depths of Sample performed become several deeply discriminated sectional images of the sample to create. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Beleuchtungsstrahlenbündel punkt- oder linienförmig fokussiert wird.Method according to one of the above claims, wherein the lighting beam point or line is focused. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem in den beiden Detektionsschritten die Probenstrahlung spektral aufgelöst detektiert wird.Method according to one of the above claims, wherein in the two detection steps, the sample radiation spectrally disbanded is detected. Mikroskop zum Erzeugen eines Bildes eines in einer vorbestimmten Tiefe einer zu untersuchenden Probe liegenden Bildfeldes, mit einem Beleuchtungsmodul, das in mehreren Beleuchtungsschritten das Bildfeld beleuchtet, wobei in jedem Beleuchtungsschritt jeweils ein Teil des Bildfeldes mit einem fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet wird, das aufgrund einer Wechselwirkung mit der Probe die Erzeugung von Probenstrahlung bewirkt, einem Detektionsmodul, das erzeugte Probenstrahlung detektiert, und einem Auswertemodul, das auf Basis der detektierten Probenstrahlung das Bild erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß während jedem Beleuchtungsschritt das Detektionsmodul einen ersten und einen zweiten Detektionsschritt durchführt, wobei im ersten Detektionsschritt im Fokus sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung und im zweiten Detektionsschritt ein geringerer Anteil der im Fokus erzeugten Probenstrahlung als im ersten Detektionsschritt sowie außerhalb des Fokus erzeugte Probenstrahlung detektiert wird, und daß das Auswertemodul die im zweiten Detektionsschritt detektierte Probenstrahlung nutzt, um bei der im ersten Detektionsschritt detektierten Probenstrahlung den außerfokalen Anteil zu verringen.Microscope for generating an image of one in one predetermined depth of a sample to be examined lying image field, With a lighting module in several lighting steps illuminated the image field, wherein in each lighting step respectively a part of the image field is illuminated with a focused illumination beam This is due to an interaction with the sample generation of sample radiation causes a detection module that generated Sample radiation detected, and an evaluation module, the on Based on the detected sample radiation generates the image, thereby characterized in that during each Lighting step, the detection module has a first and a second Performs detection step, in which generated in the first detection step in focus and out of focus Sample radiation and in the second detection step a lesser Proportion of the sample radiation generated in the focus as in the first detection step as well as outside the focus generated sample radiation is detected, and that the evaluation module uses the sample radiation detected in the second detection step, at the sample radiation detected in the first detection step the non-focal To reduce the share. Mikroskop nach Anspruch 9, bei dem das Detektionsmodul zwei Detektoren umfaßt, so daß eine gleichzeitige Durchführung der beiden Detektionsschritte möglich ist.Microscope according to claim 9, wherein the detection module includes two detectors, so that a simultaneous execution the two detection steps possible is. Mikroskop nach Anspruch 9, bei dem das Detektionsmodul für die beiden Detektionsschritte einen einzigen Detektor aufweist.Microscope according to claim 9, wherein the detection module for the both detection steps has a single detector. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem im ersten Detektionsschritt die aus einem ersten Abschnitt der Probenoberfläche und im zweiten Detektionsschritt die aus einem zweiten Abschnitt der Probenoberfläche austretende Probenstrahlung detektiert wird, wobei die beiden Abschnitte der Probenoberfläche aneinandergrenzen oder der zweite Abschnitt den ersten Abschnitt nur teilweise überdeckt.Microscope according to one of claims 9 to 11, wherein in the first Detection step from a first section of the sample surface and in the second detection step from a second section of the sample surface emerging sample radiation is detected, the two sections the sample surface contiguous or the second section the first section only partially covered. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Auswertemodul das im zweiten Detektionsschritt detektierte Signal vom im ersten Detektionsschritt detektierten Signal subtrahiert.Microscope according to one of claims 9 to 12, wherein the evaluation module the detected in the second detection step from the signal in the first Detection step detected signal subtracted. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Beleuchtungsmodul ein Scannermodul aufweist, das das Beleuchtungsstrahlenbündel über das Bildfeld lenkt.Microscope according to one of claims 9 to 13, wherein the illumination module a scanner module, which illuminates the illumination beam over the Image field directs. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem das Beleuchtungsmodul das Bildfeld mit einem punkt- oder linienförmig fokussierten Beleuchtungsstrahlenbündel beleuchtet.Microscope according to one of claims 9 to 14, wherein the illumination module illuminated the image field with a point or line focused illumination beam. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem in den beiden Detektionsschritten die Probenstrahlung spektral aufgelöst detektiert wird.Microscope according to one of claims 9 to 15, in which two detection steps, the sample radiation detected spectrally resolved becomes.
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